GMSL se expande más allá de las aplicaciones de automoción

Las aplicaciones de visión exigen flujos de datos considerables para garantizar un video de alta calidad. Una imagen Full HD comprende 1080 filas por 1920 columnas, en total más de 2 millones de píxeles. Cuando se transmiten a 60 fotogramas por segundo, la velocidad de transmisión de datos en bruto se eleva rápidamente al rango de gigabit por segundo. Aquí es donde los diseñadores de productos pueden aprovechar las ventajas del Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL).

Desarrollado originalmente por Maxim y ahora en la cartera de Analog Devices, Inc., el GMSL sigue evolucionando como tecnología líder de video de alta velocidad y enlace de datos. Se creó para aplicaciones de video de alta velocidad y transmisión de datos en automoción y ya ha pasado por tres generaciones (GMSL1, GMSL2 y GMSL3) con más de 900 millones de circuitos integrados distribuidos en todo el mundo. Está experimentando un auge en su adopción en una serie de aplicaciones no automovilísticas en las que la transmisión de datos de video y sensores a alta velocidad y baja latencia es fundamental:

• El GMSL se utiliza para conectar cámaras de visión artificial en sistemas robóticos y de inspección, ofreciendo un rendimiento fiable en las plantas de las fábricas donde las interferencias electromagnéticas y los largos tendidos de cables pueden suponer un reto para las interfaces convencionales.
• En los dispositivos médicos, el GMSL permite obtener video en tiempo real de cámaras quirúrgicas y de diagnóstico, especialmente en sistemas compactos en los que son esenciales un cableado y una latencia mínimos.
• Los diseñadores aeroespaciales y de defensa utilizan GMSL para transmitir datos de imágenes y sensores de misión crítica en aviones, drones y sistemas de vigilancia, beneficiándose de la resistencia y el diagnóstico de la tecnología.
• Los sistemas ferroviarios y de transporte público utilizan GMSL para transmitir video e información a los pasajeros entre los vehículos y las unidades de control.

En todos estos sectores, la combinación de ancho de banda, resistencia y sencillez de GMSL ayuda a los diseñadores a satisfacer las exigencias de los sistemas basados en cámaras y datos. Aunque a menudo se percibe como una solución de gama alta, el GMSL puede aplicarse a construcciones profesionales de bajo volumen que requieran enlaces de video o sensores sólidos y de alta velocidad.

Capacidades básicas

GMSL es una tecnología serializadora/deserializadora (SerDes) de alta velocidad diseñada para transportar video, audio, control y alimentación a través de un único cable, generalmente coaxial o de par trenzado apantallado (STP). El GMSL admite la comunicación asimétrica full-duplex, con un canal hacia delante para la transmisión de video de gran ancho de banda y un canal hacia atrás para las señales de control de baja frecuencia.

La tecnología admite distancias de hasta 15 m y velocidades superiores a 6 Gbps en sus últimas versiones. Estas características permiten a GMSL soportar video de alta resolución, incluyendo sensores de 8 MP y pantallas 4K+.

Muchas aplicaciones modernas desde la asistencia al conductor en automoción hasta la visión industrial de máquinas dependen del video de alta resolución en tiempo real. Un fotograma de alta definición completa tiene 2 millones de píxeles, por lo que un píxel que almacena 8 bits por cada canal rojo, verde y azul -24 bits en total- suma casi 50 Mb de datos sin comprimir por fotograma.

Un único flujo de video 1080p sin comprimir a 60 imágenes por segundo puede demandar más de 3 Gbps de ancho de banda y eso antes de añadir la sobrecarga por profundidad de color, sincronización o corrección de errores. La capacidad de GMSL para transmitir varios gigabits por segundo a través de un único cable coaxial o STP permite a los diseñadores ofrecer un video nítido y de baja latencia sin recurrir a esquemas de compresión que aumentan la complejidad e introducen retrasos.

La latencia es una preocupación clave en las aplicaciones sensibles al tiempo. Tanto si se trata de la cámara orientada hacia delante de un vehículo que ayuda a detectar peligros como de un robot en una cadena de montaje que ajusta su agarre, incluso los pequeños retrasos en la transmisión de video pueden degradar el rendimiento o la seguridad.

Los enlaces de alta velocidad de GMSL admiten la transmisión casi instantánea de datos de video y de sensores, por lo que resultan ideales para sistemas que dependen de la retroalimentación y la toma de decisiones en tiempo real. Eso es fundamental para las aplicaciones en las que la latencia es una preocupación, como la detección de peligros en una cadena de montaje.

Otra característica importante del GMSL, especialmente en diseños con limitaciones de espacio o sensibles a los costos, es su compatibilidad con el suministro integrado de energía a través del mismo cable utilizado para los datos. Conocida como alimentación a través de coaxial (PoC), esta capacidad permite que un único cable coaxial a transmisión de video, señales de control y alimentación a dispositivos remotos como cámaras, pantallas o sensores. Esto reduce la necesidad de líneas de alimentación separadas, disminuyendo la complejidad del cableado, el peso y el costo.

La PoC ha sido una característica central de GMSL desde su primera generación y es especialmente valiosa en aplicaciones de automoción, industriales e integradas en las que intervienen largos tendidos de cable o enrutamientos flexibles. Con cada generación sucesiva, la PoC ha evolucionado para admitir niveles de potencia más altos, una mayor eficiencia y un mejor rendimiento EMI, junto con funciones mejoradas de diagnóstico y protección para admitir diseños de sistemas multidispositivo más complejos.

Abarcar generaciones de GMSL

La primera generación de GMSL, lanzada inicialmente en 2008, utilizaba el estándar de señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS) para ofrecer velocidades de bajada de datos en paralelo de hasta 3.125 Gbps. Esta norma era especialmente adecuada para transmitir datos de sistemas de cámaras múltiples y otras aplicaciones de sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), así como para la creciente adopción de pantallas planas de alta definición en los automóviles. Los componentes GMSL1 siguen siendo una opción viable y ampliamente disponible para los diseñadores de productos que trabajan en aplicaciones sensibles a los costos o con un ancho de banda moderado, y están bien respaldados por receptores compatibles con GMSL2.

• El MAX96705 es un serializador GSML1 compacto y rentable con PoC integrado que admite velocidades de datos de hasta 1.5 Gbps, lo que resulta adecuado para sistemas de visión de automoción de nivel básico, cámaras de inspección industrial y otras aplicaciones de visión que no tienen las demandas de ancho de banda de GMSL2 o GMSL3.

El GMSL2 utiliza un protocolo serial de alta velocidad patentado que permite la sincronización integrada, un mejor rendimiento EMI y una mayor velocidad de transmisión de datos, todo ello a través de un único par diferencial. Lo más notable es que duplicó el ancho de banda disponible hasta 6 Gbps, lo que permite soportar flujos de video de mayor resolución, mayores frecuencias de imagen e incluso múltiples cámaras agregadas. Elimina la necesidad de líneas de reloj separadas, reduciendo la complejidad del cableado y mejorando la integridad de la señal en distancias más largas. GMSL2 mantiene la compatibilidad con GMSL1, lo que facilita la transición a diseños más capaces sin una revisión completa de la plataforma.

• El MAX96716A es un deserializador de doble entrada que admite enlaces GMSL1 y GMSL2 y velocidades de datos de hasta 6 Gbps por carril y salidas a MIPI CSI-2, una interfaz común para SoC y procesadores de visión. Con puente I²C integrado, soporte PoC y corrección de errores en avance (FEC), es una solución fiable y flexible para configuraciones multicámara o para puentear serializadores antiguos y nuevos sin tener que rediseñar la interfaz host.

GMSL2 cumple los estrictos requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) de las aplicaciones industriales y de automoción, donde el LVDS tradicional a menudo se queda corto. GMSL2 también ha añadido compatibilidad con video comprimido y sin comprimir, lo que ofrece a los diseñadores más flexibilidad en función de las limitaciones del sistema. A diferencia del GMSL1, utiliza un reloj integrado, lo que reduce la EMI y simplifica el diseño de los cables.

Otras mejoras generacionales con GMSL2 incluyen un mejor manejo de los datos de control, con una transmisión de menor latencia de I²C, SPI, GPIO y audio, junto con diagnósticos integrados y detección de errores para una mayor resistencia del sistema.

GMSL3 ha avanzado aún más en las aplicaciones de visión con soporte para la agregación, lo que permite transmitir varios flujos de video de alta resolución, señales de control bidireccionales (como I²C, GPIO y SPI) y audio a través de un único cable físico. Esto simplifica el cableado y reduce el peso y la complejidad en diseños con limitaciones de espacio.

En muchas aplicaciones modernas, múltiples fuentes de video, como cámaras, y dispositivos periféricos, como sensores o pantallas, deben comunicarse simultáneamente con un procesador central.

GMSL3 admite velocidades de datos de hasta 6 Gbps por carril en serie, con configuraciones que utilizan varios carriles para aumentar aún más el rendimiento.

• El MAX96793GTJ/VY+ es un serializador GMSL3 compacto que introduce hasta cuatro carriles de video MIPI CSI-2 y emite un único enlace GMSL3 de 12 Gbps, con compatibilidad retroactiva incorporada con GMSL2 (figura 1).

Figura 1: Los serializadores MAX96793 GMSL3 con compatibilidad retroactiva integrada con GMSL2 ofrecen a los diseñadores una solución eficaz para sistemas multicámara de alta resolución o para la actualización desde GMSL2. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

• El MAX96792A de ADI es un deserializador GMSL3/GMSL2 de doble carril y alto rendimiento que puede agregar dos carriles en serie para un total de 12 Gbps de datos serializados de video, control y audio (Figura 2). Eso permite la captura de video multicámara o de alta resolución a través de interfaces MIPI CSI-2 duales y proporciona las capacidades para sistemas avanzados de asistencia al conductor, vehículos autónomos, visión artificial avanzada y otras aplicaciones de gran ancho de banda. La compatibilidad tanto con GMSL3 como con GMSL2 simplifica las actualizaciones entre líneas de productos. (Funcionando en modo GMSL2, podría emparejarse con el serializador MAX96717RGTJ/V+ GMSL2).

Figura 2: El deserializador GMSL3/GMSL2 de doble vía MAX96792A proporciona capacidades para aplicaciones de visión avanzadas. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Los diseñadores pueden aprovechar las placas de evaluación y los kits de desarrollo para explorar las capacidades de GMSL3 y crear prototipos con hardware real.

• MAX96793-ACK-EVK# (figura 3) con el CI serializador MAX96793 permite a los diseñadores crear prototipos y probar rápidamente enlaces de video GMSL3 y GMSL2 de alta velocidad, convirtiendo la entrada MIPI CSI-2 en una salida GMSL3 de hasta 12 Gbps a través de coaxial o STP.

Figura 3: El MAX96793-ACK-EVK# ofrece la oportunidad de crear prototipos de aplicaciones GMSL3 con el serializador MAX96793. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

• La tarjeta de evaluación MAX96792A-BCK-EVK# (Figura 4) para el MAX96792A es una tarjeta de evaluación de deserializador GMSL3/GMSL2 de doble carril que demuestra el funcionamiento GMSL3 con todas las funciones utilizando dos carriles de 6 Gbps (12 Gbps en total) sobre coaxial o STP mediante señalización PAM-4.

Figura 4: El kit de evaluación MAX96792A-BCK-EVK# incluye un deserializador GSML3 para aplicaciones de prototipado. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Amplia adopción y ecosistema resistencia

La tecnología GMSL de ADI ha sido ampliamente adoptada por la industria en los sectores automovilístico, industrial, médico y aeroespacial. Su combinación de transmisión de video de alta velocidad, suministro de energía, resistencia a la EMI e integración a nivel de sistema lo ha convertido en un estándar de facto para los sistemas de visión de alto rendimiento allí donde los protocolos abiertos se quedan cortos.

ADI ofrece una plataforma probada y escalable para implementar enlaces de video y sensores en tiempo real en entornos exigentes, respaldada por un sólido ecosistema de serializadores, deserializadores, módulos de cámara y herramientas de desarrollo.

La retrocompatibilidad es una característica clave en todas las generaciones de GMSL. GMSL2 es retrocompatible con GMSL1 en muchas configuraciones, lo que permite que ciertos serializadores y deserializadores diseñados para GMSL2 funcionen en modo GMSL1 cuando se emparejan con un dispositivo GMSL1. Esto permite a los diseñadores escalar sus diseños aprovechando el hardware existente.

Aunque GMSL3 utiliza un protocolo de señalización fundamentalmente diferente y una arquitectura de mayor velocidad, ADI ofrece componentes que funcionan en modo dual GMSL2 y GMSL3. Esto proporciona a los diseñadores flexibilidad para implementar actualizaciones graduales del sistema u ofrecer líneas de productos multiplataforma, como un modelo de gama alta basado en GMSL3 y otro de gama baja basado en GMSL2.

Conclusión

El GMSL agiliza la complejidad del diseño, reduce el cableado y respalda la creciente demanda de datos de gran ancho de banda y baja latencia en los sistemas integrados y periféricos. El acondicionamiento avanzado de la señal y la corrección de errores de GMSL garantizan que las aplicaciones puedan mantener enlaces rápidos y de alta integridad incluso en condiciones adversas y a distancias de 15 m o más, mientras que otras interfaces como USB, HDMI o MIPI CSi suelen sufrir una degradación de la señal a esa distancia, sobre todo en los entornos ruidosos que se encuentran en vehículos o fábricas. La compatibilidad con versiones anteriores en todas las generaciones de GMSL garantiza una integración perfecta de los componentes más nuevos en los sistemas existentes, lo que permite actualizaciones graduales sin un rediseño completo y ayuda a equilibrar el costo, el rendimiento y la flexibilidad de la cadena de suministro en todas las líneas de productos.